淺談?wù)f課在職業(yè)本科教學(xué)中的應(yīng)用
——以“深度學(xué)習(xí)”課程為例

◇南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院 樊曉唯 蔣林岑 劉向東

說課是在教師備課的基礎(chǔ)上，向同行或?qū)＜谊U述其教學(xué)設(shè)想和理論依據(jù)的過程，目的是調(diào)動(dòng)教師參與教學(xué)改革，學(xué)習(xí)先進(jìn)教學(xué)理念，最終提升課堂教學(xué)效果。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，近年來越來越多的高校開設(shè)了人工智能專業(yè)，而“深度學(xué)習(xí)”則是該專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。本文以“深度學(xué)習(xí)”課程為例，從說教材、說學(xué)情、說目標(biāo)、說教法學(xué)法、說教學(xué)過程、說教學(xué)反思六個(gè)方面詳細(xì)闡述說課的全過程。

說課的概念最早是在1987年由河南省新鄉(xiāng)市紅旗區(qū)教研室提出的，指的是由授課教師針對(duì)教學(xué)過程中的某一觀點(diǎn)、問題或具體課題，表述其教學(xué)設(shè)計(jì)及其理論依據(jù)，簡(jiǎn)單說就是闡述教師準(zhǔn)備教什么，如何教，以及為什么這樣教[1]。其目的是調(diào)動(dòng)教師積極參與教學(xué)改革，學(xué)習(xí)先進(jìn)教學(xué)理念，嘗試多元教學(xué)手段，以及提高教師教學(xué)能力及職業(yè)素養(yǎng)。

1 說課的要求

說課不同于講課，主要目的是闡述清楚教師的教學(xué)設(shè)想，在內(nèi)容上有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，主要包括以下內(nèi)容。①說教材：說課程定位、教材簡(jiǎn)析、課時(shí)安排、教具準(zhǔn)備等，目的是讓聽的人了解你要說的課的內(nèi)容。②說學(xué)情：說學(xué)生的基本情況和知識(shí)基礎(chǔ)，根據(jù)學(xué)情來設(shè)計(jì)教法和學(xué)法。③說教學(xué)目標(biāo)：從多個(gè)維度來說課程的目標(biāo)，包括知識(shí)層面、能力層面、素質(zhì)層面等。④說教法學(xué)法：說根據(jù)學(xué)生實(shí)際準(zhǔn)備采用哪種教學(xué)方法，以及為什么這樣選擇。⑤說教學(xué)過程：這是說課的重點(diǎn)，可以以某一個(gè)單元為例，詳細(xì)闡述教學(xué)實(shí)施的過程及環(huán)節(jié)：如課程導(dǎo)入、新課教學(xué)、課堂練習(xí)、總結(jié)與作業(yè)安排等。⑥說教學(xué)反思：對(duì)于已經(jīng)實(shí)施過的課程，說教學(xué)后的反思及可以改進(jìn)的地方。

2 說課案例

本文以職業(yè)本科人工智能專業(yè)開設(shè)的《深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)》課程為例進(jìn)行說課，將從說教材、說學(xué)情、說目標(biāo)、說教法學(xué)法、說教學(xué)過程、說教學(xué)反思六個(gè)方面展開，說課的總時(shí)間控制在15分鐘左右。

2.1 說教材

《深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)》課程是人工智能本科專業(yè)第三學(xué)年第一學(xué)期開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。其先修課程是《人工智能數(shù)理基礎(chǔ)》《Python程序設(shè)計(jì)》《機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)》等，后續(xù)課程包括《深度學(xué)習(xí)框架》《計(jì)算機(jī)視覺與圖像處理》《計(jì)算機(jī)自然語言處理技術(shù)》等課程。本課程是學(xué)生從機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域向應(yīng)用更廣泛的深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域進(jìn)軍的最基礎(chǔ)的課程，學(xué)好本課程可以為進(jìn)階課程打好夯實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

本課程學(xué)時(shí)安排是48學(xué)時(shí)，包含24學(xué)時(shí)理論課和24學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課。采用的教材是清華大學(xué)出版社的《TensorFlow深度學(xué)習(xí)及實(shí)踐》。該教材內(nèi)容涵蓋了《深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)》課程標(biāo)準(zhǔn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，內(nèi)容由淺入深，配合豐富的實(shí)踐案例，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，幫助學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐中進(jìn)一步理解深度學(xué)習(xí)的運(yùn)算原理。

2.2 說學(xué)情

首先是學(xué)生基本情況，由于是自主選擇人工智能方向，學(xué)生對(duì)這門課程求知欲望和積極性較為強(qiáng)烈，但是班級(jí)同學(xué)之間仍然存在計(jì)算機(jī)編程水平以及數(shù)理基礎(chǔ)的差異，所以教學(xué)時(shí)，要考慮方式方法，盡可能保障后進(jìn)學(xué)生跟上課程。其次是學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)，經(jīng)過先修課程《機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)》的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的基本概念和算法流程有了初步的認(rèn)識(shí)，對(duì)Python編碼和算法實(shí)踐也有了一定程度的鍛煉。結(jié)合以上特性，本課程的教學(xué)設(shè)計(jì)除了要顧及學(xué)生的興趣，還要考慮技能基礎(chǔ)和個(gè)體差異?？傮w思路是通過深入淺出講解原理，并配合動(dòng)手案例，讓學(xué)生自主揭開人工智能神秘的面紗。

2.3 說教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)學(xué)生的基本情況以及課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，制定以下三維教學(xué)目標(biāo)。

（1）知識(shí)與技能：掌握深度學(xué)習(xí)中全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的基本原理及基于TensorFlow 2.0的應(yīng)用；掌握手寫體識(shí)別、貓狗識(shí)別、新聞文本分類、MNIST數(shù)據(jù)自動(dòng)生成等實(shí)驗(yàn)。

（2）過程與方法：培養(yǎng)動(dòng)手能力，并在動(dòng)手過程中加深體會(huì)深度學(xué)習(xí)的原理；培養(yǎng)主動(dòng)觀察、思考問題、借助網(wǎng)絡(luò)資源，逐步形成自主學(xué)習(xí)且不斷獲取新知識(shí)新技能的能力；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、小組協(xié)作學(xué)習(xí)能力。

（3）情感態(tài)度與價(jià)值觀：提高學(xué)生的辯證思維能力，客觀認(rèn)識(shí)人工智能深度學(xué)習(xí)對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響；培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度、不斷突破的創(chuàng)新精神和堅(jiān)持不懈的工匠精神；通過發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程，培養(yǎng)學(xué)生合作精神，提高學(xué)生的求知欲和對(duì)人工智能背后的技術(shù)的熱情。

2.4 說教法學(xué)法

由于《深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)》是一門“知識(shí)與技能相結(jié)合"的人工智能專業(yè)基礎(chǔ)課，而職業(yè)本科的學(xué)生普遍存在理解力偏弱而動(dòng)手性較強(qiáng)的特點(diǎn)，所以采用“以問題為啟發(fā)、以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)、講授演練相結(jié)合”的方式進(jìn)行授課。對(duì)于新提出的概念會(huì)以問題為啟發(fā)，采用啟發(fā)式教學(xué)法和演示法由淺入深，循序漸進(jìn)，實(shí)例演示，學(xué)生試做，老師講評(píng)，引發(fā)思考，自主探索能力。課堂上采用4～6人為一個(gè)學(xué)習(xí)小組，按小組為單位計(jì)算“課堂表現(xiàn)分”，每單元結(jié)束設(shè)置小組分享，對(duì)于主動(dòng)發(fā)言和提問的小組設(shè)置相應(yīng)的積分獎(jiǎng)勵(lì)。

2.5 說教學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)《深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)》的一個(gè)教學(xué)單元，以第二章“全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)“為例，對(duì)兩節(jié)課90分鐘的課程做詳細(xì)的教學(xué)過程設(shè)計(jì)如下所示。

（1）創(chuàng)設(shè)情景，引入新課（5分鐘）。結(jié)合先修課程《機(jī)器學(xué)習(xí)》中的線性回歸和邏輯回歸的算法原理，在黑板上畫出一些節(jié)點(diǎn)，請(qǐng)學(xué)生討論他們想象的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并上臺(tái)分享。設(shè)計(jì)的目的是通過互動(dòng)讓課堂“熱”起來，引出新的知識(shí)點(diǎn)：全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

（2）講授新課（70分鐘）。這部分是課堂的重點(diǎn)，根據(jù)本課程的目標(biāo)和重點(diǎn)難點(diǎn)，我將本單元分解為三個(gè)小教學(xué)任務(wù)及若干知識(shí)點(diǎn)。

任務(wù)一：深度學(xué)習(xí)的最早形態(tài)：感知機(jī)（25分鐘）：知識(shí)點(diǎn)一：神經(jīng)元。通過播放人腦生物神經(jīng)元的動(dòng)畫，講述生物神經(jīng)元包含的基本組件和運(yùn)作原理，進(jìn)而引導(dǎo)出深度學(xué)習(xí)中“神經(jīng)元”概念以及和生物神經(jīng)元的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過“擬物聯(lián)想”的方式，讓學(xué)生理解神經(jīng)元。其次以數(shù)字化的計(jì)算案例講解計(jì)算過程，再抽象到公式和理論，用“歸納法”總結(jié)計(jì)算原理。知識(shí)點(diǎn)二：?jiǎn)螌痈兄獧C(jī)。以二進(jìn)制邏輯運(yùn)算“與”和“或”為例，請(qǐng)學(xué)生開展小組討論并動(dòng)手設(shè)計(jì)一個(gè)單層感知機(jī)來實(shí)現(xiàn)邏輯與或。通過動(dòng)手環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對(duì)神經(jīng)元知識(shí)點(diǎn)的掌握和運(yùn)用。做完邏輯與或后，再提出邏輯XOR的設(shè)計(jì)，請(qǐng)學(xué)生思考。通過“誤導(dǎo)式”教學(xué)，讓學(xué)生無解，從而體會(huì)單層感知機(jī)存在的缺陷。進(jìn)而引導(dǎo)出解決這一問題的多層感知機(jī)。知識(shí)點(diǎn)三：多層感知機(jī)。當(dāng)從單層上升到兩層網(wǎng)絡(luò)后，XOR的問題就迎刃而解。這里留下一個(gè)思考為下節(jié)課鋪墊：兩層網(wǎng)絡(luò)，4個(gè)節(jié)點(diǎn)，人工求解就已經(jīng)很困難了，深度網(wǎng)絡(luò)機(jī)器是如何求解的？同時(shí)引出一個(gè)思政點(diǎn)：當(dāng)你身陷囹圄，覺得的無解的時(shí)候，不妨轉(zhuǎn)換一種思路，換一個(gè)角度去看待問題，或許就豁然開朗了。人生中不要鉆牛角尖，要學(xué)會(huì)變通和轉(zhuǎn)換思維。任務(wù)一總結(jié)：感知機(jī)部分內(nèi)容易理解，幫助學(xué)生建立信心。理論部分包含了深度學(xué)習(xí)中神經(jīng)元的最基本操作，為學(xué)生之后的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

任務(wù)二：全連接網(wǎng)絡(luò)求解思路（25分鐘）：知識(shí)點(diǎn)一：全連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。使用具體案例來說明網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及每一層的作用和意義，化抽象為具象，讓學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和正向傳播的計(jì)算原理。進(jìn)而請(qǐng)學(xué)生分組討論，動(dòng)手設(shè)計(jì)一個(gè)手寫體0-9識(shí)別的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并分享設(shè)計(jì)的過程和思路。知識(shí)點(diǎn)二：損失函數(shù)。有了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，引導(dǎo)學(xué)生思考，怎樣評(píng)價(jià)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的好壞? 通過舉例，讓學(xué)生歸納總結(jié)可以使用的評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)好壞的方法，然后老師點(diǎn)評(píng)，一般來說這里學(xué)生會(huì)想到用誤差來反映網(wǎng)絡(luò)好壞，最終引導(dǎo)出常用的計(jì)算誤差的方法，也就是損失函數(shù)。知識(shí)點(diǎn)三：參數(shù)最優(yōu)化。繼續(xù)提問，既然能用誤差來反映網(wǎng)絡(luò)的好壞，那怎樣才能找到一個(gè)最好的網(wǎng)絡(luò)？引導(dǎo)學(xué)生思考和分享，只需使得誤差達(dá)到最小即可。進(jìn)而推導(dǎo)出是最優(yōu)化問題，可以用最優(yōu)化的解法。任務(wù)二總結(jié)：“誘導(dǎo)式提問”的方法，啟發(fā)學(xué)生自主思考，幫助捋順?biāo)悸泛徒⒅R(shí)之間的連結(jié)。

任務(wù)三：使用tensorflow框架構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（20分鐘）：首先是老師演示，手寫代碼并逐行解釋，引導(dǎo)學(xué)生跟練，然后留出時(shí)間讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)合作。最后會(huì)留一些提升的內(nèi)容，讓學(xué)生做知識(shí)的遷移。任務(wù)三總結(jié)：通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行“實(shí)例化”和“可視化”，加深對(duì)理論的理解。這里引出一個(gè)思政點(diǎn)：要有創(chuàng)新意識(shí)，突破框架，多嘗試，在實(shí)踐中檢驗(yàn)真知。

（3）課堂小結(jié)（10分鐘）。課堂總結(jié)以學(xué)生為主、教師為輔，目的是培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成“回頭看”的好習(xí)慣，階段性總結(jié)自己的收獲，有諸多意義：“回頭看”不僅是復(fù)習(xí)新學(xué)知識(shí)，更是引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)知識(shí)結(jié)構(gòu)；“說出來的才是真正懂的”，引導(dǎo)學(xué)生完成吸收—內(nèi)化—再輸出的知識(shí)閉環(huán)過程，加深理解；鼓勵(lì)發(fā)言，培養(yǎng)學(xué)生表達(dá)能力和自信心。

（4）布置作業(yè)（5分鐘）。教師解讀作業(yè)要求，作業(yè)內(nèi)容應(yīng)源于課堂，難度略高于課堂，教師引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)踐操作和自主學(xué)習(xí)，加深對(duì)本節(jié)知識(shí)的理解。

2.6 說教學(xué)反思

本節(jié)課以三個(gè)教學(xué)任務(wù)為核心，采用多種教學(xué)手段，結(jié)合理論和實(shí)踐，讓學(xué)生在輕松愉快的氛圍中學(xué)習(xí)新知識(shí)，并且實(shí)踐新知識(shí)，為之后的深度學(xué)習(xí)內(nèi)容打好基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中，重視與學(xué)生的互動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生參與到課堂教學(xué)過程中，教師也要及時(shí)總結(jié)課堂情況，做好課后反思，適時(shí)調(diào)整授課內(nèi)容。

3 結(jié)束語

說課是一種很好的備課形式，通過說課，可以讓老師之間更好地分享和碰撞思想，也能讓授課教師更好地吃透教材，提高教學(xué)理論水平，預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)中的各種“教學(xué)事件”，反饋教學(xué)中的得失，并選擇適宜的教學(xué)方法，最終達(dá)到提升課堂教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)教學(xué)研究的目的。